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Aug 28, 2023

Messung der Masse

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 3273 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Massendurchflusseigenschaften von pneumatischen Hochdruck-Servoventilen (HPSVs) haben einen wichtigen Einfluss auf die dynamische Leistung von Hochdruck-Servosystemen. Aufgrund der Kompressibilität von Hochdruckgas sind diese Eigenschaften jedoch durch theoretische Berechnungen und Durchflussmessermessungen schwer zu ermitteln. In diesem Artikel wird eine neue Messmethode für die Massendurchfluss-Charakterisierungsparameter von HPSVs vorgeschlagen, die auf dem Prinzip der Reihenschaltung von Schallentladungen von Ventilöffnungen basiert. Die effektive Querschnittsfläche und das kritische Druckverhältnis der Servoventilöffnungen können genau und effizient bestimmt werden, indem zwei Ventilöffnungen in Reihe geschaltet werden und die Strömungssequenz der beiden Ventilöffnungen ausgetauscht wird. Die beiden Annahmen einschließlich der Schall- und adiabatischen Entladung der vorgeschlagenen Messmethode wurden überprüft. Ein Vergleich zwischen den Test- und Simulationsdaten zeigte, dass die Genauigkeit der gemessenen effektiven Querschnittsfläche und des kritischen Druckverhältnisses des HPSV hoch war. Das gemessene kritische Druckverhältnis lag im Bereich von 0,46 bis 0,50, und der durch die effektive Querschnittsflächenänderung dargestellte Durchflusskoeffizient nahm mit zunehmender Ventilöffnung ab. Diese Erkenntnisse haben allgemeine Auswirkungen auf die genaue Konstruktion, Analyse und Steuerung von pneumatischen Hochdruck-Servosystemen.

Ein hohes Leistungsverhältnis und eine sofortige Ausdehnungsfähigkeit von Hochdruckgasen können die dynamischen Eigenschaften effektiv verbessern, die Eigenfrequenz erhöhen und die Reaktionsgeschwindigkeit pneumatischer Systeme verbessern. Gleichzeitig kann durch hohen Druck eine Miniaturisierung der Komponenten ermöglicht und so Bauraum und Kosten gespart werden. Daher wird in Spezialbereichen wie Luft- und Raumfahrt, militärischer Ausrüstung und Bohrplattformen hoher Druck ausgeübt1,2,3.

Die Leistung von pneumatischen Hochdruck-Servoventilen (HPSVs) ist entscheidend für das Systemdesign, die Systemsteuerung sowie die Bewertung und Optimierung der Systemleistung4,5. Servoventile haben in der Regel eine Schieberventilstruktur und ihre Durchflusseigenschaften bilden die Grundlage für die des gesamten pneumatischen Hochdruck-Servosystems6,7,8,9. Viele Experten und Forscher beschäftigen sich seit vielen Jahren mit der Messung der Strömungseigenschaften pneumatischer Komponenten und haben zahlreiche Durchflussmessgeräte und Messmethoden entwickelt.

Die Durchflusseigenschaften des Servoventils werden je nach Größe des Durchflusses mit unterschiedlichen Durchflussmessern gemessen. Für die Prüfung bei hohen Durchflussraten wird ein Präzisionshydraulikmotor oder ein Wirbelmessgerät verwendet, während für die Prüfung bei geringer Durchflussrate ein Hydraulikzylinder verwendet wird10. Bei dieser Methode haben die Dichte und die Viskosität der Flüssigkeit einen großen Einfluss auf die Messergebnisse. Daher eignet sich diese Methode besser für flüssige Medien oder Niederdruckgase, bei denen sich die Dichte kaum ändert. Mit der ISO 6358-Testmethode unter Verwendung der Schallleitfähigkeit und der Charakterisierung des Massendurchflusses durch das kritische Druckverhältnis können auch die Durchflusseigenschaften gemessen werden11. Diese Methode weist jedoch zahlreiche Bestimmungen, strenge Anforderungen an die Genauigkeit des Testgeräts und der Messgeräte sowie einen hohen Testgasverbrauch und hohe Kosten auf12,13. Kuroshita und Oneyama14 schlugen eine Hybridmethode zur Messung von Strömungseigenschaften basierend auf ISO 635811 und JIS B 839015 vor, mit der Teile mit großen Öffnungen mit kleinen Geräten gemessen werden können. Bei Komponenten mit relativ kleinen kritischen Druckverhältnissen sind die Fehler in der gemessenen Schallleitfähigkeit jedoch groß, und diese Methode kann die Massendurchflüsse pneumatischer Komponenten nicht vollständig beschreiben. Kawashima und Mitarbeiter16,17 schlugen eine Methode zur Messung der Strömungseigenschaften mithilfe einer isothermen Kammer vor. Allerdings wird die Methode durch die Dichte des Füllstoffs beeinflusst, die Herstellung der isothermen Kammer ist schwierig und teuer und die isotherme Leistung der Kammer ist schwer zu bewerten 18,19. Imamura et al. 20 schlugen eine gravimetrische Methode namens SRoGS vor, mit der die Gasmassenströmungsrate im Bereich von 0,012–0,062 g/min in einer Vakuumkammer gemessen werden kann, aber der Messfehler ist bei hohen Gasströmungsraten groß und diese Methode erfordert eine strenge Testumgebung. Kashan et al. 21 schlug ein neues Massendurchflusssensorelement vor, das sich besonders für die Messung niedriger Durchflussraten in Vakuumverarbeitungssystemen eignet. Diese Messmethoden weisen hohe Anforderungen an die Messgeräte und Schwierigkeiten bei der Messung auf und sind nur auf Niederdruck-Pneumatikkomponenten anwendbar. Pneumatische Hochdruckmessungen erfordern aufgrund des hohen Differenzdrucks, der großen Variation der Gasdichte und der hohen Durchflussrate eine einfache und effiziente Messmethode.

Der chinesische nationale Standard GB/T 14513 hat das Reihenschaltungs-Schallentladungsverfahren 22 entwickelt. Bei diesem Verfahren können die Massendurchflusseigenschaften der Komponente indirekt durch Messung der effektiven Querschnittsfläche und des kritischen Druckverhältnisses in der Drossel ermittelt werden Strömungszustand, indem im Testsystem nur der angegebene Hohlraum mit zwei in Reihe geschalteten identischen Komponenten verwendet wird. Bei Komponenten mit einem kritischen Druckverhältnis von mehr als 0,25 sind die aus der Messung erhaltene effektive Querschnittsfläche und das kritische Druckverhältnis glaubwürdiger, während bei kleinen kritischen Druckverhältnissen und niedrigen Einlassdrücken die Messergebnisse ungenauer sind 23. Daher Diese Methode ist für die Hochdruckpneumatik geeignet und bietet die Vorteile eines geringen Testgasverbrauchs, niedriger Kosten und einer hohen Effizienz 24. Gao et al. 25 hat zwei Hochdruck-Magnetventile in Reihe geschaltet und mithilfe der Reihenschaltungs-Schallentladungsmethode hochpräzise Werte für die effektive Querschnittsfläche und das kritische Druckverhältnis erhalten, wenn die Entladungszeit weniger als 2 s betrug.

Gemäß den Eigenschaften der Schieberventilstruktur des in dieser Studie untersuchten HPSV entsprechen die beiden Steueröffnungen des Servoventils den Drosselöffnungen, mit denen der Massendurchfluss gemessen werden kann, indem das Prinzip der Schallentladung in Reihe geschaltet wird Methode. Basierend auf dem Grundsatz der Massenerhaltung des Gases, das durch die beiden Tandem-Drosselöffnungen strömt, und unter der Annahme, dass der Entladungsprozess adiabatisch ist und dass die Strömungsgeschwindigkeit an den stromabwärts gelegenen Drosselöffnungen Schallgeschwindigkeit ist, ist eine neue Methode zur genauen und Die effiziente Messung der effektiven Querschnittsfläche und des kritischen Druckverhältnisses der Servoventilöffnungen wird aus dem Prinzip abgeleitet. Diese neue Methode erfordert lediglich den Austausch der Strömungssequenz zweier Ventilöffnungen und die anschließende Trennung der Messung der Gasdruckänderung und der Temperatur in der Kammer. Auf diese Weise können die Massendurchflusseigenschaften des HPSV indirekt gemessen werden. Bezüglich der Annahmen der Methode wird die numerische Strömungsmechanik (CFD) verwendet, um das interne Strömungsfeld des HPSV zu ermitteln, dessen Ventilöffnung in Reihe geschaltet ist, um die Annahme zu überprüfen, dass die Durchflussrate der stromabwärtigen Drossel die Schallgeschwindigkeit ist. Die Simulation ohne Wärmeaustausch und die Testergebnisse während des Entladungsprozesses werden verglichen, um zu überprüfen, ob die adiabatische Annahme zutrifft.

Gemäß der internationalen Norm ISO 635811 zur Massendurchflussgleichung, die einer elliptischen Gleichung entspricht, kann der Massendurchfluss des durch jede Drosselöffnung strömenden Gases ausgedrückt werden als:

Dabei ist Qm der maximale Massendurchfluss im Drosselzustand, S die effektive Querschnittsfläche der rechteckigen Ventilöffnungen, σcr das kritische Druckverhältnis im Drosselzustand, p1 der Vordruck und p2 der stromabwärtige Druck, T1 ist die stromaufwärtige Temperatur, R ist die Gaskonstante (R=287 J/(kg∙K)) und k ist der adiabatische Index (k=1,4). Aus Gl. (1) und (2) können die Massendurchflusseigenschaften des HPSV vollständig durch die Verwendung von zwei charakteristischen Parametern ausgedrückt werden: der effektiven Querschnittsfläche S und dem kritischen Druckverhältnis im Drosselströmungszustand σcr.

Das in dieser Studie untersuchte HPSV war ein Fünfwegeventil mit drei Positionen, das fünf Ventilöffnungen enthält, von denen zwei die Hauptsteueröffnungen sind (Ventilöffnungen A und B). Basierend auf einer Analogie zu vierseitigen Schieberventilen entsprechen die Servoventilöffnungen den Drosselöffnungen. Nach dem Passieren der Ventilöffnungen A und B kann das Hochdruckgas dann gemäß der Reihenschaltungs-Schallentladungsmethode aus der Kammer in die Atmosphäre abgegeben werden. Das entsprechende Schema der Reihenschaltungs-Schallentladungsmethode ist in Abb. 1 dargestellt.

Äquivalentes Schema der Schallentladungsmethode mit HPSV-Reihenschaltung.

(a) Sonic-Annahme. Die Ventilöffnungen A und B sind in Reihe geschaltet und die Durchflussflächen sind gleich oder sehr ähnlich, um sicherzustellen, dass das Hochdruckgas in der Ventilöffnung A Unterschall und in der Ventilöffnung B Schall ist. das heißt, der kritische Abschnitt liegt an der Ventilöffnung B.

(b) Adiabatische Annahme. Unter der Voraussetzung, dass der Reibungswärmeaustausch zwischen Gas und Rohrwand vernachlässigt wird und die Entladezeit möglichst kurz ist, bleibt die Temperatur im Inneren der Kammer erhalten; es ist das gleiche wie das der Außenumgebung (dh Tc und Tt) während des Entladungsprozesses.

Die effektive Querschnittsfläche von Hochdruck-Pneumatikkomponenten S wird mit der Reihenschaltungs-Schallentladungsmethode gemessen. S wird unter Berücksichtigung der thermodynamischen Gleichungen des adiabatischen Entladungsprozesses und des isovolumetrischen Prozesses sowie der Gasdynamikgleichung berechnet:

Der Massenstrom durch die Ventilöffnungen beträgt

Dabei ist QmAB der Massenstrom bei Drosselblenden A und B in Reihenschaltung, QmB der Massenstrom der Drosselblende B, SAB die wirksame Querschnittsfläche bei Drosselblenden A und B in Reihenschaltung die Reihenschaltung, und SB ist die effektive Querschnittsfläche der Drosselöffnung B. Aus der Kontinuitätsgleichung ergibt sich QmAB = QmB und gemäß der adiabatischen Annahme Tc = Tt. Daher,

Aus der internationalen Norm ISO635811,

Ebenso ergibt die Kontinuitätsgleichung QmA = QmB, also

Aus der obigen Gleichung ergibt sich also:

Gleichung (9) zeigt, dass die effektive Querschnittsfläche des Reihengaskreislaufs nur von den Charakterisierungsparametern der in Reihe geschalteten Komponenten abhängt und unabhängig vom Druckverhältnis zwischen ihren beiden Enden ist. Die obige Gleichung ergibt dann

Ersetzen von Gl. (6) in Gl. (10) gibt

Das kritische Druckverhältnis der Drosselblende A beträgt dann

Durch Vertauschen der Positionen der Drosselöffnungen A und B kann das gleiche kritische Druckverhältnis der Drosselöffnung B erreicht werden:

Basierend auf der Schallentladungsmethode werden die Druckänderung und die stationäre Temperatur des Gases im Hohlraum mit konstantem Volumen separat gemessen, und die effektive Querschnittsfläche jeder Ventilöffnung S kann aus Gleichung (1) abgeleitet werden. (3) durch Berücksichtigung der thermodynamischen Gleichungen des adiabatischen Entladungsprozesses und des isovolumetrischen Prozesses sowie der Gaskinetikgleichung. Aus Gl. (12) und (13) können zwei Charakterisierungsparameter, die effektive Querschnittsfläche S und das kritische Druckverhältnis σcr, die Massendurchflusseigenschaften des HPSV vollständig ausdrücken.

Basierend auf der Methode wurde ein Prüfstand entworfen, dessen schematisches Diagramm in Abb. 2 dargestellt ist. Der Kammerdrucksensor wurde verwendet, um den Druck der Kammer mit konstantem Volumen zu messen, die Kammertemperatur war Raumtemperatur, das andere Ventil Die Öffnungen des HPSV wurden über das Magnetschaltventil mit der Kammer verbunden, der Verschiebungssensor wurde verwendet, um die Spulenverschiebung des HPSV zu erfassen, und die Daten wurden mit einem industriellen Steuercomputer erfasst. Zur Messung verfügen die Ventilöffnungen des HPSV über zwei Arten von Reihenschaltungen, wie in Abb. 3 dargestellt.

Schematische Darstellung der Messung der Massendurchfluss-Charakterisierungsparameter des HPSV.

Schematische Darstellung der Reihenschaltung der Ventilöffnungen.

Ein Ventilblock wurde entwickelt, um zwei Ventilöffnungen in Reihe zu schalten. Um die Herstellungskosten zu senken, wurde ein einteiliges Design verwendet und ein spezieller Gewindestopfen wurde passend zu diesem Design entwickelt. Für einen bestimmten Anschluss wurden die anderen Leitungen durch O-Ring-Dichtungen verschlossen. Eine der Tandembrücken-Verbindungskonfigurationen ist in Abb. 4 dargestellt.

3D-Modell des Ventilblocks.

Der Prüfstand wurde gemäß dem schematischen Diagramm des Messsystems aufgebaut (siehe Abbildung 5), wobei eine Hochdruckgasflasche als Gasquelle und ein industrieller Steuercomputer zur Steuerung der Magnetventile und zur Datenerfassung verwendet wurden. Um die Spulenverschiebung im Test mithilfe einer Positionierungsschraube zu stabilisieren, wurde eine Vorrichtung zur Befestigung der Spulenposition entwickelt. Die Befestigungsvorrichtung wurde am Ventilblock montiert und über Gewinde mit der Spule verbunden. Die Liste der zugehörigen Komponenten ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Foto der Testkomponenten für die HPSV-Massendurchfluss-Charakterisierungsparameter: (a) die Kammer und die Testkomponenten, (b) Hochdruckgasversorgungsgerät.

Gemäß der oben genannten Methode wurden die Innendruckwerte der Druckkammer nach dem Entladen für vier Anschlussfälle gemessen: Ventilöffnung A, Ventilöffnung B, Tandem-Ventilöffnungen A und B und Tandem-Ventilöffnungen B und A. Das Messverfahren ist in Abb. 6 dargestellt.

Testmessverfahren.

Eine Entladezeit von 2 s kann als adiabatischer Prozess angesehen werden25. Der Test wurde bei anfänglichen Kammerdrücken von 5 und 15 MPa durchgeführt und die Massendurchflussmessungen wurden mehrmals für Ventilöffnungen von 0,1–1 mm wiederholt. Die effektiven Querschnittsflächen jeder Ventilöffnung unter den beiden Druckbedingungen wurden gemäß Gl. berechnet. (3), wobei SA, SB, SAB und SBA die effektiven Querschnittsflächen der Ventilöffnung A, der Ventilöffnung B, der Tandem-Ventilöffnungen A und B bzw. der Tandem-Ventilöffnungen B und A sind, wie in Abb 7. Der Durchflusskoeffizient Cd ist das Verhältnis der effektiven Querschnittsfläche zur geometrischen Querschnittsfläche und ein wichtiger Parameter zur Bewertung der Durchflusskapazität von Steuerventilöffnungen:

Dabei ist b die Seitenlänge der rechteckigen Öffnung (b = 5 mm in dieser Studie) und xv die Öffnung der Ventilöffnung. Die unter den beiden Druckbedingungen gemessenen Durchflusskoeffizienten der Ventilöffnungen A und B sind in Abb. 8 dargestellt. Basierend auf dem Wert und dem Gesetz des Durchflusskoeffizienten ist die Messung der effektiven Querschnittsfläche genauer.

Effektive Querschnittsfläche: Der Anfangsdruck der Kammer beträgt (a) 5 MPa; (b) 15 MPa.

Durchflusskoeffizient: Der Anfangsdruck der Kammer beträgt (a) 5 MPa; (b) 15 MPa.

Nach Berechnungen mit Gl. (12) und (13) wurden die kritischen Druckverhältnisse der Ventilöffnungen A und B unter zwei Druckbedingungen ermittelt (Abb. 9). Das kritische Druckverhältnis im Test lag zwischen 0,46 und 0,50, was der Regel für das kritische Druckverhältnis für allgemeine pneumatische Komponenten entspricht. Unter den beiden Druckbedingungen lagen die P2/P1-Werte beide unter dem kritischen Druckverhältnis des Tests. Daher wurden die gemessenen effektiven Querschnittsflächen SA und SB in Gleichung eingesetzt. (1), um den Massendurchfluss der beiden Ventilöffnungen zu erhalten (Abb. 10).

Kritisches Druckverhältnis: Der Anfangsdruck der Kammer beträgt (a) 5 MPa; (b) 15 MPa.

Massendurchflusseigenschaften: Der Anfangsdruck der Kammer beträgt (a) 5 MPa; (b) 15 MPa.

Unter der Annahme, dass die Strömungsgeschwindigkeit an der stromabwärtigen Ventilöffnung die Schallgeschwindigkeit in der Messmethode für Massendurchfluss-Charakterisierungsparameter von HPSVs ist, wurde die CFD-Methode verwendet, um den Gasfluss durch die beiden Ventilöffnungen zu untersuchen26. CFD ist als robuste Methode zur Vorhersage von Fluiddynamikparametern bekannt und die gebräuchlichste Software ist ANSYS/fluent 27,28. Wie in Abb. 11 dargestellt, waren die geometrischen Flächen der Ventilöffnungen A und B im Modell gleich. Die Ergebnisse zeigten, dass unter den beiden Druckbedingungen der Gasfluss an der Ventilöffnung A Unterschall war (die höchsten Geschwindigkeiten waren 186 und 197 m/s) und dass der Gasfluss an der Ventilöffnung B Schallfluss war (Strömungsgeschwindigkeiten von 325 und 323 m/s). . Hierbei ist zu beachten, dass der Hochgeschwindigkeitsstrahl an der Ventilöffnung zu einem Temperaturabfall führt und somit die lokale Schallgeschwindigkeit verringert wird. Entsprechend den Temperaturen (263 und 260 K) an der Ventilöffnung B betrugen die Schallströmungsgeschwindigkeiten bei diesen Temperaturen 325 bzw. 323 m/s; das heißt, die Strömungsgeschwindigkeit an der Ventilöffnung B erreichte Schallgeschwindigkeit. Nach dem Passieren der Ventilöffnung B erreichte die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der erweiterten Durchflussfläche Überschallgeschwindigkeit, ähnlich wie bei der Struktur der Rafael-Düse. Daher ist die klangliche Annahme gültig.

Gasströmungskontur der Tandemventilöffnungen: Einlassdruck beträgt 5 MPa, (a) Geschwindigkeitskontur, (b) Temperaturkontur; Der Einlassdruck beträgt 15 MPa, (c) Geschwindigkeitskontur, (d) Temperaturkontur.

Um die Genauigkeit der Massendurchflusstestergebnisse des HPSV und die Annahme einer adiabatischen Wärme innerhalb der Kammer während des Entladevorgangs zu überprüfen, wurde die Druckänderung innerhalb der Kammer während der 2-s-Entladung mit MATLAB/Simulink untersucht. Die Druck- und Temperaturschwankungen des Hochdruckgases in der Kammer können wie folgt geschrieben werden:

Dabei ist A die Wärmeübertragungsfläche, h0 der Wärmeübertragungskoeffizient, Ta die Kammerwandtemperatur, T die Gastemperatur in der Kammer, CV die spezifische Wärme bei konstantem Volumen und m die Gasmasse. Aus Gl. (15) und (16) ist ersichtlich, dass während des Entladungsprozesses die Schwankungen des Drucks und der Temperatur des Hochdruckgases durch den Massenstrom Qm und den Wärmeübergangskoeffizienten h0 beeinflusst werden, und wenn dieser Prozess durchgeführt wird sehr kurz ist, kann man ihn als adiabatischen Prozess betrachten. Gemäß dieser Annahme betrug der Wärmeübergangskoeffizient innerhalb der Kammer während des Entladungsprozesses 0. Bei der Durchführung der Simulation wurden die theoretischen Werte durch das testkritische Druckverhältnis und die effektive Querschnittsfläche ersetzt. Die Testdaten der Druckänderung innerhalb der Kammer während des Entladevorgangs wurden mit den simulierten Daten verglichen; liegen die Ergebnisse sehr nahe beieinander, kann der Wärmeübergangskoeffizient als 0 angenommen werden, was bedeutet, dass die adiabatische Annahme gültig ist.

Beim Vergleich der Druckänderungen für Ventilöffnungen von 0,3, 0,5 und 0,8 mm zeigten die Ergebnisse, dass die simulierten Daten gut mit den Testdaten übereinstimmten, wenn die Entladezeit 2 s bei einem Anfangsdruck von 5 MPa betrug (Abb. 12). . Die Testdatenwerte waren bei einem Anfangsdruck von 15 MPa für weniger als 1,6 s etwas kleiner als die simulierten Daten und nach 1,6 s höher. Die Wärmeübertragung zwischen dem Hochdruckgas im Inneren der Kammer und der Kammerwand während der Entladung kann auf der Grundlage der Mischungstheorie natürlicher und erzwungener Konvektion ausgedrückt werden 29,30,31. Wenn der Druck in der Kammer steigt, erhöht sich entsprechend der Wärmeübergangskoeffizient und die Intensität der konvektiven Wärmeübertragung in der Kammer nimmt zu. Daher kann die Entladezeit leicht verkürzt werden, um sicherzustellen, dass die adiabatische Annahme gilt.

Druck in der Kammer mit konstantem Volumen während der Entladung: Der Anfangsdruck der Kammer beträgt 5 MPa, die Ventilöffnung beträgt (a) 0,3 mm, (b) 0,5 mm, (c) 0,8 mm; Der Anfangsdruck der Kammer beträgt 15 MPa, die Ventilöffnung beträgt (d) 0,3 mm, (e) 0,5 mm, (f) 0,8 mm.

Die Simulations- und Testergebnisse des Restdrucks nach Entladung für 2 s werden in Abb. 13 verglichen. Die Simulationsergebnisse stimmten gut mit den Testergebnissen überein und der maximale relative Fehler betrug 0,05. Daher gilt die adiabatische Annahme, und die effektive Querschnittsfläche und das kritische Druckverhältnis weisen eine hohe Genauigkeit auf.

Restdruck in der Kammer mit konstantem Volumen nach der Entladung: Anfangsdruck 5 MPa (a) Ventilöffnung A; (b) Ventilöffnung B; Anfangsdruck 15 MPa; (c) Ventilöffnung A; (d) Ventilöffnung B.

In diesem Artikel wird eine Testmethode zur Bestimmung der Massendurchfluss-Charakterisierungsparameter eines HPSV vom Schieberventiltyp vorgestellt. Die Testergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 7, 8, 9 und 10. Die Beziehung zwischen der Ventilöffnung und der Massendurchflussrate (Abb. 10) bestand darin, dass die Massendurchflussrate mit zunehmender Ventilöffnung mit abnehmender Geschwindigkeit zunahm. Insbesondere nahm der Anstieg der Massendurchflussrate deutlich ab, wenn die Ventilöffnung größer als 0,5 mm war. Der Grund dafür ist, dass bei einer größeren Öffnung 32 der Strömungskoeffizient kleiner und die Gasströmungskraft größer ist. Wenn der Massenstrom an den Ventilöffnungen zum Zeitpunkt der Entladung bis zur Leistungsdomänengrenze ansteigt, wirkt die Gasströmungskraft auf Die Spule erhöht sich auf ein Niveau, das mit der elektromagnetischen Kraft des Motors vergleichbar ist. Dieses Phänomen lässt die Spule für kurze Zeit unkontrollierbar erscheinen und die Gasströmungskraft führt zu einer Verkleinerung der Ventilöffnungen, was zu einer verringerten Durchflussrate durch die Öffnungen führt. Obwohl eine Befestigungsvorrichtung hinzugefügt wurde, um der Spule dabei zu helfen, einen Teil der Gasströmungskraft zu kompensieren, hat die Gasströmungskraft immer noch einen großen Einfluss auf die Spulenverschiebung, wenn die Ventilöffnung groß ist, wie in Abb. 14 dargestellt.

Überwachung der Spulenverschiebung für verschiedene Ventilöffnungen: (a) 0,8 mm; (b) 0,9 mm; (c) 1,0 mm. Die Entladung beginnt bei 1 s.

Da es sich bei einem Servoventil um ein hochpräzises Steuerelement handelt, sind seine Massendurchflusseigenschaften sehr wichtig. Die gemessenen Masse-Durchfluss-Kennlinien tragen dazu bei, diese Nichtlinearitäten durch verbesserte Regelalgorithmen weiter zu optimieren. Es wurde festgestellt, dass die Gasströmungskraft die Spulenposition erheblich beeinflusst, was durch eine weitere Optimierung des Steueralgorithmus reduziert werden kann, um den Widerstand des Servoventils gegenüber der Gasströmungskraft zu verbessern. Darüber hinaus kann im pneumatischen Hochdruck-Servosystem der Einfluss der Nichtlinearität des Massendurchflusses auf die Systemsteuerungsleistung analysiert und die Steuerungskompensationsmethode untersucht werden.

Die in diesem Artikel vorgeschlagene neue Messmethode basiert auf der Schallentladungsmethode mit Reihenschaltung, bei der zwei Ventilöffnungen zwei Drosselöffnungen gleichgesetzt werden. Die effektive Querschnittsfläche und das kritische Druckverhältnis können durch Vertauschen der Strömungssequenz der beiden Ventilöffnungen ermittelt werden. Diese beiden Parameter werden zur Charakterisierung des Massendurchflusses eines HPSV vom Schiebertyp verwendet. Für den Test wird ein Fünf-Wege-HPSV mit drei Positionen verwendet.

Den Testdaten zufolge nahm der Durchflusskoeffizient unter zwei Druckbedingungen mit zunehmender Ventilöffnungsöffnung ab und die Durchflusskoeffizienten lagen bei gleicher Ventilöffnung sehr nahe beieinander. Das kritische Druckverhältnis lag zwischen 0,46 und 0,50, was der Regel für das kritische Druckverhältnis allgemeiner pneumatischer Komponenten entspricht. Der gemessene Massendurchsatz und die Ventilöffnung zeigten aufgrund der unterschiedlichen Düsenwiderstandswerte bei verschiedenen Öffnungen und des Einflusses der momentanen aerodynamischen Kraft der Entladung einen nichtlinearen Zusammenhang.

Die Messmethode basiert auf zwei Annahmen: der Schallannahme und der adiabatischen Annahme. Die Schallannahme wurde durch CFD verifiziert und die Simulationsdaten wurden mit den Testergebnissen verglichen, um zu bestätigen, dass die adiabatische Annahme für die 2-s-Entladung gilt. Es wurde festgestellt, dass unter Hochdruckbedingungen die Entladezeit entsprechend verkürzt werden muss, um die Adiabatizität des Entladevorgangs sicherzustellen, und es wird empfohlen, die Entladezeit bei der Hochdruckmessung auf 1,6 s zu reduzieren.

Die vorgeschlagene Methode zum Testen der Massendurchfluss-Charakterisierungsparameter von pneumatischen Hochdruck-Servoschiebeventilen ist effektiv und machbar. Die Vorteile dieser Methode sind ein einfacher Aufbau, niedrige Prüfgaskosten, ein hoher Wirkungsgrad und Energieeinsparungen. Diese Messmethode ist auch auf andere Hochdruck-Pneumatikventile vom Schiebertyp anwendbar. Es wird empfohlen, den Einfluss der Gasströmungskräfte während der Messung zu berücksichtigen. Genauere Messungen können durch eine Erhöhung der Störfestigkeit des Ventils erzielt werden.

Nie, S., Liu, Appl. Sci.-Basel. 8, 6112018 (2018).

Google Scholar

Dong, D. & Li, X. Entwicklung eines neuartigen vorgesteuerten Hochdruck-Magnetventils mit paralleler Spule, hoher Durchflussrate und hoher Geschwindigkeit. Chinesischer J. Mech. Ing. 28, 369–378 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

Liu, G., Wang, J., Dang, K. & Yuan, S. Auswirkungen des Fließspannungsverhaltens, des Druckbelastungspfads und der Temperaturschwankung auf die pneumatische Hochdruckumformung von Ti-3al-2,5v-Rohren. Int. J. Adv. Hersteller Technol. 85, 869–879 (2015).

Artikel Google Scholar

Yan, H., Liu, Y. & Ma, L. Mechanismus der Temperatureinwirkung auf das elektrohydraulische Servoventil. IEEE-Zugriff. 7, 80465–80477 (2019).

Artikel Google Scholar

Zhang, S. & Li, S. Hohlraumablösungsdynamik in einer Prallplatten-Düsen-Pilotstufe eines elektrohydraulischen Servoventils: Experimente und numerische Untersuchungen. Energiekonv. Geschäftsführer 100, 370–379 (2015).

Artikel Google Scholar

Briones, J. et al. Ein Entwurf und eine Optimierung eines ventilbasierten Mikrofluidikgeräts mit hohem Durchsatz für die Kompartimentierung und Analyse einzelner Zellen. Wissenschaft. Rep. 11, 12995. https://doi.org/10.1038/s41598-021-92472-w (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Heinken, H., Ulrich, S., Bruns, R. & Schneider, S. Hochempfindliches elektrorheologisches Servoventil. J. Intell. Mater. Syst. Struktur. 31, 297–307 (2019).

Artikel Google Scholar

Pawananont, K. & Leephakpreeda, T. Sequentielle Steuerung von Mehrkanal-Ein/Aus-Ventilen für lineare Durchflusseigenschaften mittels gemittelter Pulsweitenmodulation ohne Durchflussmesser: Eine Anwendung für pneumatische Ventile. J. Dyn. Syst. Mess. Control-Trans. WIE ICH. 141, 011007–011018 (2018).

Artikel Google Scholar

Tan, C., Wu, H. & Dong, F. Massendurchflussmessung der Öl-Wasser-Zweiphasenströmung mit einem Langtaille-Kegelmessgerät. IEEE Trans. Instrument. Mess. 62, 2795–2804 (2013).

Artikel Google Scholar

ISO 10770-2:2012. Hydraulische Fluidtechnik – Elektrisch modulierte hydraulische Steuerventile – Teil 2: Testmethoden für Wegeventile mit drei Anschlüssen. (2012)

ISO 6358-1-2013. Pneumatische Fluidtechnik – Bestimmung der Durchflusseigenschaften von Komponenten unter Verwendung komprimierbarer Flüssigkeiten – Teil 1: Allgemeine Regeln und Prüfmethoden für stationäre Strömung. (2013)

Y. Fan, L. Gangyan, H. Jian, L. Wengfeng, Q. Wang. Methode zur Ermittlung und Berechnung der Durchflusseigenschaften eines Pneumatikkreislaufs. im Jahr 2015 Internationale Konferenz für Fluidtechnik und Mechatronik (FPM). 379–384. https://doi.org/10.1109/FPM.2015.7337144. (IEEE, 2015).

Righettini, P., Giberti, H. & Strada, R. Eine neuartige Praxismethode zur Bestimmung der Durchflusseigenschaften pneumatischer Servoachsen. J. Dyn. Syst. Mess. Control-Trans. WIE ICH. 135, 041013-1-041013–8 (2013).

Artikel Google Scholar

Kuroshita, K. & Oneyama, N. Verbesserungen der Testmethode für Durchflusseigenschaften pneumatischer Komponenten. in der SICE-Jahreskonferenz 2004. 147–152. https://ieeexplore.ieee.org/document/5332874. (IEEE, 2004).

JIS B8390-2000. Pneumatische Fluidtechnikkomponenten unter Verwendung komprimierbarer Flüssigkeiten. Bestimmung der Durchflusseigenschaften. (2000)

Kawashima, K., Ishii, Y., Funaki, T. & Kagawa, T. Bestimmung der Durchflusseigenschaften von pneumatischen Magnetventilen unter Verwendung einer isothermen Kammer. J. Fluids Eng. Trans. WIE ICH. 126, 273–279 (2004).

Artikel Google Scholar

T. Funaki, T. Kato, K. Kawashima, T. Kagawa. Studie zur Leistungsbewertung eines oszillierenden Gasströmungsgenerators mit hochpräzisem Einlassströmungskontrollsystem. in der SICE-Jahreskonferenz 2009. 3819–3824. https://ieeexplore.ieee.org/document/5332874. (IEEE, 2009)

Yang, L., Gan, Y. & Liu, P. Studie zur Wärmeübertragung poröser Medien für isotherme Kammern. Exp. Therm. Flüssigkeitswissenschaft. 46, 46–53 (2013).

Artikel Google Scholar

Yang, L., Shen, H., Ye, Q. & Liu, C. Einfluss der Verteilung poröser Medien auf die Verbesserung der Wärmeleitung und die isotherme Leistung für isotherme Kammern. Kinn. J. Mech. Ing. 53, 160–166 (2017).

Google Scholar

Imamura, K., Horinouchi, O., Okuyama, T. & Isobe, Y. Das primäre dynamische gravimetrische System zur Gasmassendurchflussmessung. Durchflussmessung Instrument. 76, 101752–101760 (2020).

Artikel Google Scholar

Kashan, MAM et al. QCM-Mikrosäulen-basierte gekoppelte Resonatoren zur Erfassung von Gasmassenströmen. IEEE Trans. Instrument. Mess. 68, 303–305 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

GB/T 14513-1993. Pneumatische Fluidleistung – Bestimmung der Durchflusseigenschaften pneumatischer Komponenten. (1993)

Hui, W., Xu, W. & Jiang, W. Optimale Auswahl von Hilfskomponenten bei der seriellen Verbindungsmethode. Mach. Werkzeughydraulik. 48, 32–36 (2020).

Google Scholar

Zhang, S. & Xu, W. Studie zum kritischen Druckverhältnis und zur effektiven Fläche. Hydraul. Pneum. Robben. 9, 12–15 (2013).

Google Scholar

Gao, L., Yang, G., Li, W. & Li, B. Messung des Massendurchflusses und Bewertung des Wärmeübergangskoeffizienten für pneumatische Hochdruckkomponenten während Lade- und Entladevorgängen. Durchflussmessung Instrument. 45, 391–403 (2015).

Artikel Google Scholar

Li, B., Gao, L. & Yang, G. Bewertung und Kompensation der konstanten Gasströmungskraft auf das elektropneumatische Hochdruck-Servoventil, das direkt von einem Schwingspulenmotor angetrieben wird. Energiewandler. Geschäftsführer 67, 92–102 (2013).

Artikel Google Scholar

Syah, R. et al. Numerische Untersuchung der Nanofluidströmung mittels CFD und Fuzzy-basierter Partikelschwarmoptimierung. Wissenschaft. Rep. 11, 20973. https://doi.org/10.1038/s41598-021-00279-6 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shoghl, SN et al. Eine neuartige Strategie zur umfassenden Optimierung struktureller und betrieblicher Parameter in einem Überschallabscheider mithilfe rechnergestützter Fluiddynamikmodellierung. Wissenschaft. Rep. 11, 21850. https://doi.org/10.1038/s41598-021-01303-5 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Molkov, V., Dadashzadeh, M. & Makarov, D. Physikalisches Modell des thermischen Verhaltens von Wasserstoffspeichertanks an Bord während der Betankung. Int. J. Hydrog. Energie 44, 4374–4384 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Kawano, Y., Kuroki, T., Sakoda, N., Monde, M. & Takata, Y. Thermische Analyse von Hochdruckwasserstoff während des Entladevorgangs. Int. J. Hydrog. Energie 44, 27039–27045 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Bauer, T. Thermophotovoltaik: Grundprinzipien und kritische Aspekte des Systemdesigns. 85–99. https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-3-642-19965-3. (Springer, 2011).

Gao, L., Wu, C., Zhang, D., Fu, Präzise. Ing. 60, 355–367 (2019).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde teilweise von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen des Grant 51705164 unterstützt.

FESTO-Pneumatikzentrum, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China

Dijia Zhang, Longlong Gao, Shaoliang Zhou, Yuxuan Ma und Baoren Li

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Konzeptualisierung: LG und DZ; Methodik: DZ und LG; Software: DZ und SZ; Experiment: DZ und YM; Validierung: LG und BL; Untersuchung: YM und DZ; Ressourcen: LG und BL; Schreiben: DZ; Betreuung: BL; Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Longlong Gao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, D., Gao, L., Zhou, S. et al. Messung der Massedurchfluss-Charakterisierungsparameter von pneumatischen Hochdruck-Servoschieberventilen. Sci Rep 12, 3273 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-07377-z

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Eingegangen: 22. November 2021

Angenommen: 15. Februar 2022

Veröffentlicht: 28. Februar 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-07377-z

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